ナノ結晶粒の協調運動による形態の形成

1998 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 10450240
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 若井 史博 東京工業大学, 応用セラミックス研究所, 教授 (30293062)
• 研究分担者: 赤津 隆 東京工業大学, 応用セラミックス研究所, 助手 (40231807) ; 榎本 尚也 東京工業大学, 応用セラミックス研究所, 助手 (70232965) ; 安田 榮一 東京工業大学, 応用セラミックス研究所, 教授 (70016830)
• キーワード: セル構造 / 粒界エネルギー / 粒界運動 / セラミックス / ナノ結晶 / 超塑性

研究概要

泡、細胞、ナノ結晶セラミックスなど、セル構造の集合体の協調運動による変形に共通する幾何学的原理を探求することを目的として、ナノ結晶セラミックスの協調運動による形態形成の特徴を解明するための研究を、実験とシミュレーションの両面から進め、大きな進歩が得られた。
1) モデル材料系
平成10年度は平均粒径が200nmである3mol%Y203-安定化正方晶ジルコニアを対象とし、粒界すべりにおける粒界ダイナミクスを観察した。高温で粒界エネルギーを駆動力とする粒界運動による粒子の消失過程を調べるため、粒成長を観察し、粒径と時間との間に成立する3乗則を確認した。粒界すベりによる巨大変形が粒界移動を促進することによる粒界運動の影響を見るために、変形に誘起された粒成長を調べ、粒径の対数と真ひずみとの間に成立する比例関係を確認した。さらに、巨視的な変形による粒子形態変化が粒界エネルギーに駆動された粒子形状の回復モデルと定量的な一致することを示した。
また、より微細なナノ結晶材料を創製する手法について検討した。
2) 粒界ダイナミクスのメゾスコピックシミュレーション
微細粒多結晶体の高温変形における普遍的な現象としての「超塑性現象」の本質を探るために仮想物質の超塑性の3次元シミュレーションを行い、結晶粒のダイナミックな運動と形態の変化を調べた。
粒界すべりによる変形を再現するとともに、粒子スイッチングが、結晶粒同士の接触の形成と分離のプロセスであることを明確に示した。また、超塑性における結晶粒の重心の運動は液体中の分子の運動と類似し、アモルファス固体の粘性流動につながることが示唆された

研究成果

• [文献書誌] F.Wakai et al.: "Indentation Cracks in Superplastically Deformed Silicon Nitride Consisting of Strongly Aligned Rod-shaped Grains" Mater.Sci.Eng.A244. 161-167 (1998)
• [文献書誌] F.Wakai et al.: "Deformation Conditions of β-SiAION to Achieve Large Superplastic Flongation" J.Ceram.Soc.Japan. 106[10]. 1040-1042 (1998)
• [文献書誌] F.Wakai et al.: "Geometrical Microstructural Development in Superplastic Silicon Nitride with Rod-Shaped Grains" J.Am.Ceram.Soc.81,[12]. 3227 (1998)
• [文献書誌] F.WAKAI et al.: "Compressive Deformation of Liquid-phase Sintered Silicon Carbide at Flevated Temperature:" Superplasticity and Superplastic Forming 1998.247-256 (1998)
• [文献書誌] Hui GU and Fumihiro WAKAI: "Segregation and Local Structure at Grain Boundaries in SiO2-Doped Tetragonal ZrO2 Polycrystalline Materials" Materials Synthesis and Processing,Plenum. 9751-9757 (1998)
• [文献書誌] F.WAKAI et al: "Ceramics Superplasticity" Proc.Special Symp.On Advanced Materials. 433-436 (1998)
• [文献書誌] F WAKAI and Hiroshi OGAWA: "Geometrical Change of Grains in Superplasticity" Proc.Plasticity'99 : 7th Int.Sym.Plasticity and Its Current Applications.(Neat Press). 1045-1048 (1999)